Nonlinear behavior in fluid-structure interaction (FSI) of bridge decks becomes increasingly significant for modern bridges with increasing spans, larger flexibility and new aerodynamic deck configurations. Better understanding of the nonlinear aeroelasticity of bridge decks and further development of reduced-order nonlinear models for the aeroelastic forces become necessary. In this paper, the amplitude-dependent and neutral angle dependent nonlinearities of the motion-induced loads are further highlighted by series of computational fluid dynamics (CFD) simulations. An effort has been made to investigate a semi-analytical time-domain model of the nonlinear motion induced loads on the deck, which enables nonlinear time domain simulations of the aeroelastic responses of the bridge deck. First, the computational schemes used here are validated through theoretically well-known cases. Then, static aerodynamic coefficients of the Great Belt East Bridge (GBEB) cross section are evaluated at various angles of attack, leading to the so-called nonlinear backbone curves. Flutter derivatives of the bridge are identified by CFD simulations using forced harmonic motion of the cross-section with various frequencies. By varying the amplitude of the forced motion, it is observed that the identified flutter derivatives are amplitude-dependent, especially for $A^*_2$ and $H^*_2$ parameters. Another nonlinear feature is observed from the change of hysteresis loop (between angle of attack and lift/moment) when the neutral angles of the cross-section are changed. Based on the CFD results, a semi-analytical time-domain model for describing the nonlinear motion-induced loads is proposed and calibrated. This model is based on accounting for the delay effect with respect to the nonlinear backbone curve and is established in the state-space form. Reasonable agreement between the results from the semi-analytical model and CFD demonstrates the potential application of the proposed model for nonlinear aeroelastic analysis of bridge decks.
The novel control method of ZVS Full-bridge PWM converter with pulse load current is proposed. This new control method can reduce the switching loss of switches during no load condition. Moreover by using feed-forward load current information this method can obtain better transient dynamics compared to the system with only linear feedback control.
Safety is the prime concern for a high-speed railway bridge, especially when it is subjected to a collision. In this paper, an analysis framework for the dynamic responses of train-bridge systems under collision load is established. A multi-body dynamics model is employed to represent the moving vehicle, the modal decomposition method is adopted to describe the bridge structure, and the time history of a collision load is used as the external load on the train-bridge system. A (180+216+180) m continuous steel trussed-arch bridge is considered as an illustrative case study. With the vessel collision acting on the pier, the displacements and accelerations at the pier-top and the mid-span of the bridge are calculated when a CRH2 high-speed train running through the bridge, and the influence of bridge vibration on the running safety indices of the train, including derailment factors, offload factors and lateral wheel/rail forces, are analyzed. The results demonstrate that under the vessel collision load, the dynamic responses of the bridge are greatly enlarged, threatening the running safety of high-speed train on the bridge, which is affected by both the collision intensity and the train speed.
The dynamic performance of railway bridges under high-speed trains draws the attention of bridge engineers. The vibration issue for long-span bridges under high-speed trains is still not well understood due to lack of validations through structural health monitoring (SHM) data. This paper investigates the correlation between bridge acceleration and train speed based on structural dynamics theory and SHM system from three foci. Firstly, the calculated formula of acceleration response under a series of moving load is deduced for the situation that train length is near the length of the bridge span, the correlation between train speed and acceleration amplitude is analyzed. Secondly, the correlation scatterplots of the speed-acceleration is presented and discussed based on the transverse and vertical acceleration response data of Dashengguan Yangtze River Bridge SHM system. Thirdly, the warning indexes of the bridge performance for correlation scatterplots of speed-acceleration are established. The main conclusions are: (1) The resonance between trains and the bridge is unlikely to happen for long-span bridge, but a multimodal correlation curve between train speed and acceleration amplitude exists after the resonance speed; (2) Based on SHM data, multimodal correlation scatterplots of speed-acceleration exist and they have similar trends with the calculated formula; (3) An envelope line of polylines can be used as early warning indicators of the changes of bridge performance due to the changes of slope of envelope line and peak speed of amplitude. This work also gives several suggestions which lay a foundation for the better design, maintenance and long-term monitoring of a long-span high-speed bridge.
During the passage of the train, the railway bridge undergoes vibration and noise. The noise of railway bridge can be occurred from various sources. The wheel-rail contact, noise from machinery parts, structural-borne noise, pantagraph noise and aerodynamic noise of the train work in combination. Running train is one of the most important factors for railway bridge vibration. The repeated forces with equidistant axles cause the magnification of dynamic responses which relates with maintenance of the track structure and structure-borne noises. The noise problem is one of the most important issues in services of light rail transit system which usually passes through towns. In the present study, The vibration and noise of the LRT bridge will be investigated with utilizing dynamics responses from moving train as input data for noise analysis.
In a wind tunnel experiment employing a reduced scale model, Reynolds number (Re) can hardly be respected. Its effects on the aerodynamics of closed-box bridge decks have been the subject of research in recent years. Stonecutters Bridge in Hong Kong is a cable-stayed bridge having an unprecedented central span of 1018m. The issue of Re sensitivity was raised early in the design phase of the deck of Stonecutters Bridge. The objective of this study is to summarise the results of various wind tunnel experiments in order to demonstrate the effect of Re on the steady state aerodynamic force coefficients. The results may provide an insight on the choice of scale for section model experiments in bridge design projects. Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis of forces on bridge deck section was also carried out to see how CFD results are compared with experimental results.
다양한 이동하중을 받는 3차원 사장교에서 동적응답을 구하고자 동일 제원을 갖는 사장교 해석모델에 대하여 두 가지 케이블요소를 적용하여 케이블의 면외 진동영향을 포함한 경우를 알아보고자 하였다. 특히 사장교와 같은 전 구조체계가 유연성을 갖는 구조에서는 사용하중하에서도 동적응답이 민감할 것으로 가정하고 주탑, 바닥판을 연결하는 케이블의 유연성을 포함하여 거동을 파악하고자 하였다. 또한 진동해석시 정적비선형해석을 통한 기하강도행렬과 접선강도행렬을 연계하여 수행하였으며 특히 케이블을 다수의 요소로 분할한 경우에서 단일 케이블요소로 고려되는 축방향진동 이외의 다양한 진동모우드를 나타내고 이러한 면내, 면외진동의 영향이 주탑 및 바닥판과의 상호 연성관계를 통한 추가적인 거동을 유발함을 알 수 있었다. 또한 케이블의 진동영향을 고려한 경우 비대칭 편도의 이동하중을 적용하여 바닥판의 회전각을 비교할 경우에도 케이블의 횡진동의 영향이 전체구조의 추가적인 동적응답을 나타냄을 볼 수 있었다.
본 연구에서는 바람의 영향을 받는 박스형 콘크리트 거더교에 대한 풍력계수를 산정하기 위하여 전산유체해석(CFD)를 수행하였다. 방음벽이 없는 교량 단면에 대한 항력계수, 양력계수 및 비틀림모멘트계수를 산정하였고, 이 풍력계수 값들을 다양한 높이의 방음벽을 갖는 교량 단면에 대한 풍력계수 값들과 비교하였다. 전산유체해석에서 풍력계수들을 산정할 때 전단응력수송(SST) $k-{\omega}$ 난류 모델을 적용하였고, 마찰 항력계수가 전체 항력계수에 미치는 기여도를 조사하였다. 연구 결과, 바람이 수평으로 불 때 항력계수는 방음벽의 높이가 커질수록 증가하였고, 마찰 항력의 기여도는 교량 단면에 방음벽이 없을 때 가장 높았다. 따라서 교량설계에서 풍력을 산정할 때 방음벽의 높이의 영향을 고려할 필요가 있으며, 벽면 마찰력은 교량에 작용하는 풍력을 산정할 때 중요한 역할을 하였다.
Under braking forces of a freight train, there are great longitudinal structural responses of a large freight railway cable-stayed bridge. To alleviate such adverse reactions, viscous dampers are required, whose parametric selection is one of important and arduous researches. Based on the longitudinal dynamics vehicle model, responses of a cable-stayed bridge are investigated under various cases. It shows that there is a notable effect of initial braking speeds and locations of a freight train on the structural responses. Under the most unfavorable braking condition, the parameter sensitivity analyses of viscous dampers are systematically performed. Meanwhile, a mixing method called BPNN-NSGA-II, combining the Back Propagation neural network (BPNN) and Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm With Elitist Strategy (NSGA-II), is employed to optimize parameters of viscous dampers. The result shows that: 1. the relationships between the parameters of viscous dampers and the key longitudinal responses of the bridge are high nonlinear, which are completely different from each other; 2. the longitudinal displacement of the bridge main girder significantly decreases by the optimized viscous dampers.
Junyong Zhou;Zunian Zhou;Liwen Zhang;Junping Zhang;Xuefei Shi
Computers and Concrete
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제32권4호
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pp.411-423
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2023
The rapid development of road transport has increased the number of bridges that require widening. A critical issue in the construction of bridge widening is the influence of vibrations of the old bridge on the casting of wet joint concrete between the old and new bridges owing to the running traffic. Typically, the bridge is closed to traffic during the pouring of wet joint concrete, which negatively affects the existing transportation network. In this study, a newly developed microscopic traffic load modeling approach and the vehicle-bridge interaction theory are incorporated to develop a refined numerical framework for the analysis of random traffic-bridge coupled dynamics. This framework was used to investigate traffic-induced vibrations at the wet joint of a widened bridge. Based on an experimental study on the vibration resistance of wet joint concrete, traffic control strategies were proposed to ensure the construction performance of cast-in-site wet joint concrete under random traffic without interruption. The results show that the vibration displacement and frequency of the old bridge, estimated by the proposed framework, were comparable with those obtained from field measurements. Based on the target peak particle velocity and vibration amplitude of the wet joint concrete, it was found that traffic control measures, such as limiting vehicle gross weight and limiting traffic volume by closing an additional traffic lane, could ensure the construction performance of the wet joint concrete.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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